化石燃料对环境的负面影响推动着可再生能源的研究。在过去的几十年里，研究人员已经探索了高效的可再生能源技术，如太阳能光伏、太阳能燃料、生物质能、水（热）能、风力涡轮机等。这些可再生技术在收集可再生能源发电方面显示出巨大的潜力，有助于环境问题的解决。
然而，这些技术具有成本高、体积大、对水生生物的影响、以及依赖天气等因素，使得它们的应用场景不尽人意。热电技术因其重量轻、具有扩展性、成本效益、无移动部件、以及可集成到用于加热和冷却发电应用的微型和纳米设备等优点，成为理想的选择。
热电技术的特点是无量纲品质因数 (zT)与塞贝克系数 (S) 和电导率 (σ) 成正比，与热导率成反比。最先进的热电材料研究面临的挑战是塞贝克系数（热功率）和 σ 的冲突特性，导致功率因数 (S2σ) 较低，因此品质因数较低。
多年来，研究人员报道了各种技术来增强金属硫属化物热电材料中的无量纲品质因数。其中，Bi2Te3材料具备的高功率因数使研究者们看到了室温应用商业化的曙光，但Bi2Te3 需要克服的弱点是其高热导率值。因此，进一步提高金属硫属化物的热电性能需要将 S 和 σ 解耦，以提高功率因数，从而增加热电材料和器件的整体效率。
在这里，香港城市大学胡志文教授团队对金属硫族化物材料中的等价取代以改善热电发电进行了批判性的综述。等价取代可以解耦 σ 和 S 的相互依赖性，协同增强这两个重要参数，金属硫属化物热电材料中的阳离子和阴离子侧取代中都已被证明了是有效的方法。等价掺杂能导致中性离子形成，这有助于重排位于主体原子价带深处的最内层（核心）能级，这是因为它能使主体原子内的电子重新分布，从而改变电化学势的位置和传导电子密度。本文还回顾了许多与金属硫属化物热电中等价取代的有关研究，提高热电材料的性能和器件应用这是作为当下和未来的研究方向。
图1. 在金属硫族化物热电材料中通过阳离子和阴离子侧取代进行等价掺杂的研究已经成功地解耦了塞贝克系数（S）、电导率（σ）和热导率的相互矛盾的性质，并导致S和σ同时增强，从而提高品质因数。
论文信息：
J.-D. Musah, A. Ilyas, S. Venkatesh, et al. Isovalent substitution in metal chalcogenide materials for improving thermoelectric power generation – A critical review. Nano Research Energy. https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120034.
https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120034
作为Nano Research姊妹刊，Nano Research Energy (ISSN: 2791-0091; e-ISSN:2790-8119; 官方网站:https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月由清华大学创办，香港城市大学支春义教授和清华大学曲良体教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉，全英文开放获取期刊，聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用，对标国际顶级能源期刊，致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文。2023年之前免收APC费用，欢迎各位老师踊跃投稿。投稿请联系：[email protected].
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